石墨烯：可用於改善鈣鈦礦太陽能電池的性能
2020-07-06 環球創新智慧導讀
據韓國蔚山國立科技大學（UNIST）官網近日報導，該校研究人員開發出一款新型電極，可與大幅提升鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的穩定性。
背景
1839年，德國礦物學家古斯塔夫·羅斯（Gustav Rose）在俄羅斯中部的烏拉爾山脈上發現了一種之前未曾發現的礦物，他以俄羅斯地質學家 Lev Perovski 的名字將這塊礦石命名為「鈣鈦礦（perovskite）」。
鈣鈦礦巖石（圖片來源：維基百科）
如今，鈣鈦礦已成為備受關注的一大類半導體材料，並有望成為徹底改變電子器件的關鍵因素之一。這種材料具有獨特的晶體結構，有利於缺陷的擴散遷移，從而具有電催化性、吸光性等諸多卓越的物理化學特性，而且製造起來既簡單又便宜。
（圖片來源：維基百科）
因此，鈣鈦礦材料可應用於諸多領域，例如光電子器件、通信器件、自旋電子器件等。尤其是在太陽能電池領域，鈣鈦礦太陽能電池製造起來更便宜、更綠色，且效率可與矽太陽能電池相媲美。因此，鈣鈦礦非常有望取代矽成為新一代太陽能電池的候選材料。
鈣鈦礦太陽能電池（圖片來源：UNIST）
創新
近日，韓國蔚山國立科技大學的一支科研團隊開發出一款新型電極，可以大幅提升鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。這是由於在金屬基電極和鈣鈦礦薄膜之間插入了一層保護層，可以防止金屬誘發的衰減。這一層由石墨烯製成，可以有效地抑制金屬和滷素離子的擴散。
（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
樸惠成（Hyesung Park）教授以及他在韓國蔚山國立科技大學能源與化工學院的研究團隊領導了這一突破性研究。在他們的工作中，研究團隊採用一種嵌入銅網格的聚醯亞胺（CEP）薄膜以及一層石墨烯薄片作為保護層（GCEP），開發出一個柔性的金屬網格基混合電極平臺。
（圖片來源：UNIST）
該平臺表現出高導電性、卓越的化學穩定性和機械耐用性。他們通過該平臺證明了石墨烯所起到的關鍵作用，即作為保護層來防止金屬誘發的衰減，以及電極與鈣鈦礦層之間的滷素擴展。
這項研究的成果於2020年5月13日發表在《納米快報（Nano Letters）》的網絡版上。
技術
金屬氧化物基電極（ITOs）已被用作傳統的透明導電電極，但由於其不具備柔性而容易斷裂，因此不適合應用於可穿戴設備。特別是在鈣鈦礦太陽能電池中使用金屬基透明導電電極（TCE），主要障礙就是金屬和滷素離子在金屬電極和鈣鈦礦層之間相互擴散誘發的衰減。
下圖所示：由CEP薄膜和GCEP組成的電極平臺。(a) GCEP製造工藝和 (b, c) GCEP的數字圖像。
（圖片來源：UNIST）
研究人員通過在金屬電極/鈣鈦礦層的界面上插入石墨烯薄片作為保護層，解決了這個問題。石墨烯具有很高的導電性，這使得電子很容易地通過它。然而，石墨烯優異的抗滲性甚至可以阻止最小分子的滲透。
研究團隊表示：「如果與具有下列特性的金屬納米結構相結合，石墨烯可以成為一個有效的擴散屏障。這些特性包括在電極/鈣鈦礦層界面上抵抗金屬和滷素離子擴散滲透的卓越性能；提升的跨越金屬納米結構空白間隔的電荷採集性能；由於光學透明度高，作為保護層的透光率損失最小；混合電極所帶來的機械耐用性的提升。」
下圖所示：基於GCEP的鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。處於下列情況下的標準化能量轉換效率（PCE）的衰減：（a）存儲方式；（b）不經過紫外線濾光片，在1個標準太陽光強度連續照射下（以及經過紫外線濾光片，在12個標準太陽光強度連續照射下）；（c）在100℃下加熱，始終處於氮氣填充的手套箱中。
（圖片來源：UNIST）
價值
研究人員們使用這種透明柔性的混合電極製備了基於柔性金屬透明導電電極的鈣鈦礦太陽能電池，獲得了良好的化學和機械穩定性。該器件達到了較高的能量轉換效率（16.4%），可與基於ITO的剛性對應物（17.5%）相媲美。他們還證實了石墨烯層能夠通過防止金屬和滷素離子的相互擴散，來保證太陽能電池的化學穩定性。此外，GCEP電極通過阻擋紫外線（UV）以及近紫外線，提高了鈣鈦礦太陽能電池的光穩定性。即使在1000小時後，它還能保持97.5%以上的初始效率。此外，經過5000次彎曲試驗之後，它還具有良好的機械耐用性，例如保持94%的初始效率，因此適用於新一代穿戴設備。
論文第一作者鄭圭正（Gyujeong Jeong）表示：「這篇論文表明，在金屬基電極和鈣鈦礦薄膜之間插入一層保護層可以防止金屬誘發的衰減，並且作為那一層的石墨烯，可以有效地抑制金屬和滷素離子的擴散。」
樸教授表示：「這種新方法對鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性都進行了提升。在鈣鈦礦太陽能電池中，這項工作為設計機械和化學健壯的不含ITO的金屬輔助的透明導電電極平臺提供了一項有效策略。」
關鍵詞
鈣鈦礦、太陽能電池、可穿戴、石墨烯
參考資料
【1】Gyujeong Jeong, Donghwan Koo, Jihyung Seo et al., 「Suppressed Interdiffusion and Degradation in Flexible and Transparent Metal Electrode-Based Perovskite Solar Cells with a Graphene Interlayer,」 Nano Lett., (2020); DOI:10.1021/acs.nanolett.0c00663
【2】https://news.unist.ac.kr/enhancing-the-performance-of-pscs-with-graphene-armor/
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鈣鈦礦電池中添加了石墨烯 其轉化效率提高到26.3%
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新研究:有助於改善鈣鈦礦太陽能電池的耐用性!
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《科學》刊發鈣鈦礦太陽能電池穩定性新進展—新聞—科學網
但是，頗具「發電」天賦的鈣鈦礦光電材料的「脾氣」卻不穩定，表現主要有二，一是材料不穩定，容易發生分解；二是容易與光、水、氧氣發生作用，工作狀態下的鈣鈦礦光電材料分解速度尤其快。想讓它「乖乖聽話」並不容易。 「在老化過程中，電池內部究竟發生了什麼，是什麼原因導致的，又該如何解決，這是研究界一直渴望回答的問題。」上海交通大學教授韓禮元告訴《中國科學報》記者。 -
鈣鈦礦太陽能電池研究進展總結
2.2 高穩定性鈣鈦礦太陽能電池 由於鈣鈦礦中的有機金屬滷化物受溼度和光照的影響較大，在自然條件下易分解，會造成電池效率的快速衰減甚至失效。因此，為了實現生產具有成本效益的鈣鈦礦太陽能電池目標，製備高穩定性的鈣鈦礦太陽能電池也成為該領域未來的必然趨勢。為了解決鈣鈦礦型太陽能電池的穩定性問題，研究人員嘗試尋找其他合適的傳輸層材料來改善電池穩定性。 -
鈣鈦礦太陽能電池性能新突破:可實現減少滯後現象
我的煤炭網>新聞>行業熱點>新能源>鈣鈦礦太陽能電池性能新突破：可實現減少滯後現象 鈣鈦礦太陽能電池性能新突破：可實現減少滯後現象 發布日期：2020-11-22 00:18:10 -
鈣鈦礦太陽能電池在適當壓力下獲得性能提升
北極星太陽能光伏網訊:美國和奈及利亞的科學家研究了壓力對於鈣鈦礦太陽能電池產生的影響，結果發現施加恰當的壓力能夠提升40%的電池效率（相對）。如果壓力過大，也可能導致開裂。科學家們正在尋找鈣鈦礦太陽能電池的最佳製造方法，現在已有多個備選方案。 -
石墨烯助力,串疊型鈣鈦礦太陽能效率超越26%
，十年間已經躍升到 24% 以上，不過效率升幅多多益善，最近義大利科學家在鈣鈦礦電池中加入神奇材料石墨烯（Graphene），最終研發出鈣鈦礦-矽串疊型太陽能，其效率已達 26.3%。科學家將石墨烯薄膜沉積在鈣鈦礦的二氧化鈦（TiO2）電子傳輸層上，其中鈣鈦礦太陽能的電池結構大多為陰極-電子傳輸層-鈣鈦礦的光吸收層（主動層）-電洞傳輸層-陽極組成，透過將石墨烯沉積在二氧化鈦前體與奈米粒子上，進而提高鈣鈦礦薄膜的化學穩定性與耐用性，最後再把最佳化後鈣鈦礦電池機械式堆棧（mechanically stacked）在 HJT 異質結矽晶太陽能上方。 -
無機鈣鈦礦太陽能電池可簡化的僅剩下CsPbBr3層
鈣鈦礦太陽能電池由於具有較高的光電轉換效率（＞ 22．7％），被研究人員認為是近年來最有希望解決能源問題的途徑之一。然而，傳統有機－無機雜化鈣鈦礦吸光材料的穩定性卻成為其商業化的最大障礙。為此，研究人員嘗試開發新型的鈣鈦礦結構吸光劑。 -
How It’s Made——鈣鈦礦太陽能電池的崛起
導讀 與其他光伏材料相比，鈣鈦礦太陽能電池在性能的提升方面表現出了驚人的速度。繼2009年和2012年的早期關鍵實驗之後，人們對這些生產設備的興趣激增，目前正在進一步優化它們的性能，並尋找可行的商業應用路線。本文，我們將帶您看看鈣鈦礦太陽能電池材料的製造過程和相關技術。 什麼是鈣鈦礦太陽能電池？ 鈣鈦礦太陽能電池(PSC)顧名思義是由鈣鈦礦材料作為核心部件製備的太陽能電池。 -
鈣鈦礦太陽能電池研究進展
第1種是介孔結構，此結構類似於染料敏化太陽能電池，鈣鈦礦材料作為光敏化劑附著在多孔二氧化鈦（TiO2）上,其結構為透明導電玻璃/ TiO2/鈣鈦礦敏化的多孔TiO2/ H T M /電極；第2種是平面異質結薄膜結構，其結構為透明導電玻璃/TiO2/鈣鈦礦層/HTM/電極，在這種結構中，鈣鈦礦材料分離出來，既可吸收光又可傳輸電子和空穴；第3種是無空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池。 -
鈣鈦礦太陽能電池結構及原理
而這個過程發生的改變就是鈣鈦礦結構的長軸方向趨向於與基底平行， 形成各向異性。這種各向異性越明顯， 電池性能越好， 因此研究鈣鈦礦材料的晶體學取向也是獲得優異性能的重點方向之一。鈣鈦礦太陽能電池的發展方向提高電池轉換效率轉換效率是衡量太陽能電池性能最重要的指標，目前得到認證的最高電池轉換效率已經達到20.1%（圖3）。 -
乾貨 詳解鈣鈦礦太陽能電池的應用
圖1 鈣鈦礦ABX3 結構示意圖在用於高效太陽能電池的鈣鈦礦結構中, A位通常為HC(NH2)2+(簡稱FA+)或者CH3NH3+(簡稱MA+)等有機陽離子, 其主要作用是在晶格中維持電荷平衡,但A離子的尺寸大小可以改變能隙的大小。 -
我國科學家優化鈣鈦礦太陽能電池性能
近年來，有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池發展迅速，其光電轉化效率從3.8%發展到目前25.5%的認證效率，被視為最具有應用潛力的新型高效率太陽能電池之一雖然鈣鈦礦太陽能電池具有較高光電轉換效率，可與多晶矽薄膜電池媲美，但電池的長期穩定性未達到商業化要求。 -
給柔性鈣鈦礦太陽能電池架上「水泥」支架
近年來，柔性鈣鈦礦太陽能電池由於其可溶液加工、質輕、成本低等優勢，有望成為可持續發展可拉伸應用的光伏技術。然而，機械柔韌性和環境穩定性的難以兼具限制了柔性鈣鈦礦太陽能電池進一步的發展應用。針對上訴問題，南昌大學教授陳義旺、研究員胡笑添團隊聯合中國科學院化學研究所研究員宋延林課題組受混凝土增韌結構啟發，將帶有磺酸基的磺化氧化石墨烯（s-GO）通過與鈣鈦礦前驅體材料相互作用，形成具有「水泥」支架結構的晶界。這種方法可以同時增強鈣鈦礦薄膜的結晶度，並鈍化黏結晶界。相關論文已發表於《科學通報》。 -
碳電極CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池
儘管如此，對於鈣鈦礦太陽能電池產業化，產業界更關心鈣鈦礦太陽能電池在實際運行情況下的穩定性。有機無機雜化鈣鈦礦不穩定主要是鉛碘八面體與陽離子之間的弱氫鍵導致的。因此在高溫與光照等外部應力的情況下，有機陽離子丟失，有機無機鈣鈦礦則降解為碘化鉛。採用銫取代陽離子則形成全無機鈣鈦礦。全無機鈣鈦礦相對於有機-無機雜化鈣鈦礦具有更好的熱穩定性與光穩定性。